肥料類型對(duì)鹽堿地蒙古黃芪生長(zhǎng)與光合特征及藥材產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

劉 杰，張雄杰，盛晉華*，霍秉新，賈長(zhǎng)松

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010019；2 內(nèi)蒙古天際綠洲特色生物資源研發(fā)中心，呼和浩特 010018；3 內(nèi)蒙古天衡制藥有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 014400)

蒙古黃芪[Astragalusmembranaceus(Fisch.) Bge. var.mongholicus(Bge.) Hsiao]為豆科蝶形花亞科黃耆屬多年生草本[1-2]，以根入藥，具有固表止汗、補(bǔ)氣升陽、利水消腫等功效[3-4]。它是內(nèi)蒙古地區(qū)的道地藥材[5]，現(xiàn)代藥理研究發(fā)現(xiàn)其含有鋅、硒、鐵、銅等多種微量元素以及黃酮類、三萜皂苷、多糖類等多種化學(xué)物質(zhì)[6-7]，具有保護(hù)心肌缺血、抗氧化、抗病毒等功效[8-10]，在中藥預(yù)防新型冠狀病毒肺炎方案中，黃芪是出現(xiàn)的頻次最高的中藥之一[11]。隨著人工栽培藥用植物的進(jìn)行以及藥用植物的開發(fā)利用，如何通過規(guī)范化的栽培技術(shù)在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上提高藥用植物產(chǎn)量和品質(zhì)，成為栽培過程中急需解決的問題。其中，藥用植物施肥研究是栽培的核心問題[12]，《中藥材生產(chǎn)質(zhì)量管理范例》中規(guī)定對(duì)藥用植物的施肥，需根據(jù)土壤情況及中藥材的種類進(jìn)行具體的分析，通過研究中藥材自身對(duì)營養(yǎng)的需求、吸收肥料的能力及土壤情況、肥料效果，將有機(jī)肥、微生物肥等做為促進(jìn)中藥材生長(zhǎng)、降低肥料損耗、保護(hù)環(huán)境的肥料，目前藥用植物施肥類型主要有微生物肥料和有機(jī)肥料等[13-15]。

鹽堿地是中國重要的后備土地資源，約80%的鹽堿地有發(fā)展為耕地的潛力，鹽堿地的治理對(duì)于維持中國1.2億hm2耕地紅線具有重要意義。內(nèi)蒙古自治區(qū)從東到西有330多萬hm2鹽堿荒地，不論是耕地，還是草原等，均存在不同程度的鹽堿化[16]。由于鹽堿地重金屬含量較低，且沒被化肥和農(nóng)藥污染過，是一塊未被開墾過的“凈土”，因此種植抗鹽堿類藥材，具有成本低、污染少、易集約化管理、可形成規(guī)模效益的優(yōu)勢(shì)，且鹽堿地種植的藥材的藥效成分往往較高[17-18]，即“順境出產(chǎn)量，逆境出品質(zhì)”。目前，在鹽堿地中有關(guān)蒙古黃芪栽培施肥的研究較少，因此，本研究以一年生蒙古黃芪種苗為材料，在鹽堿地探究二年生蒙古黃芪藥材產(chǎn)量和藥效成分對(duì)不同肥料的響應(yīng)特征，以及其生理光合機(jī)制，為鹽堿地中蒙古黃芪的推廣種植提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)材料為優(yōu)質(zhì)蒙古黃芪種苗，平均根長(zhǎng)35 cm。試驗(yàn)于2020年在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)海流圖科技試驗(yàn)園區(qū)進(jìn)行，地理位置40°40′42.28″N，111°13′21.22″E，海拔1 051 m；年平均降水量在375～460 mm，土壤鹽漬化程度較高，pH 8.6，全鹽量為9.64 g·kg-1；土壤耕層養(yǎng)分狀況：有機(jī)質(zhì)17.42 g·kg-1，全氮1.15 g·kg-1，速效氮65.34 mg·kg-1，速效磷9.01 mg·kg-1，速效鉀150.44 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在經(jīng)粉壟耕作的鹽堿地上設(shè)置6種施肥處理，分別為海藻酸水溶肥(青島明月藍(lán)海生物科技有限公司生產(chǎn)，主要成分海藻酸≥18%，F(xiàn)H)、腐殖酸水溶肥(開封市普朗克生物化學(xué)有限公司生產(chǎn)，主要成分腐殖酸≥30 g/L，F(xiàn)Z)、有機(jī)肥(巴彥淖爾市德源肥業(yè)有限公司生產(chǎn)，主要成分大豆有機(jī)質(zhì)≥90%，F(xiàn)Y)、微生物菌劑生物肥(陜西恒田生物農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)，主要成分甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌LW-6≥20億/g，F(xiàn)W)、復(fù)合肥(湖北澳特爾化工有限公司生產(chǎn)，主要成分N+P2O5+K2O≥45%，F(xiàn)F)和對(duì)照(不施肥，CK)。施肥量參考前人研究[5,12,14]確定，海藻酸水溶肥稀釋500倍在返青后每隔25 d通過葉面噴施加灌根的方式施入，共4次，每次3.75 kg·hm-2；腐殖酸水溶肥稀釋600倍在返青后每隔25 d通過葉面噴施加灌根的方式施入，共4次，每次4.5 L·hm-2；有機(jī)肥隨整地時(shí)一次性施入，施入量1 500 kg·hm-2；微生物菌劑生物肥于移栽時(shí)與土混勻后一次性施入溝中，施入量45 kg·hm-2；復(fù)合肥于返青后10 d在降雨前一次性施入，施入量300 kg·hm-2。

每個(gè)處理為一個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2(6 m×5 m)，小區(qū)間起邊埂并設(shè)間隔保護(hù)行，重復(fù)3次。蒙古黃芪種苗于6月5日采取平栽的方式進(jìn)行移栽，株距15 cm，行距30 cm，溝深10 cm，其他田間管理同常規(guī)栽培。種苗6月15日開始返青，根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐中一般在10月中下旬收獲蒙古黃芪，于返青后120 d取樣并測(cè)定指標(biāo)，取樣后測(cè)產(chǎn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉片抗逆性生理指標(biāo)在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3株樣株，取相同部位的復(fù)葉，將小葉片摘下放入液氮中保存，帶回實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入-80 ℃冰箱保存待測(cè)。參考《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》[19]，采用氮藍(lán)四唑法超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶(POD)活性，采用紫外吸收法測(cè)定過氧化氫酶(CAT)活性，采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(MDA)含量，采用磺基水楊酸法測(cè)定脯氨酸(Pro)含量，采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白(SP)含量，采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖(SS)含量。

1.3.2 葉片光合指標(biāo)在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取葉片無破損的3株樣株，于天氣晴朗的上午10：00-11：00，使用CIRAS-3型光合儀測(cè)定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、葉片水分利用率(WUE)；使用手持型SPAD-502相對(duì)葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)定葉綠素相對(duì)含量SPAD；使用PEA便攜式植物效率分析儀測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm，測(cè)定前暗適應(yīng)20 min。

1.3.3 形態(tài)指標(biāo)及干物質(zhì)積累量采用隨機(jī)取樣的方法在各小區(qū)內(nèi)選取3株植株，連同根系完整取出，用卷尺和電子游標(biāo)卡尺測(cè)量株高(PH)、莖粗(SD)、主根長(zhǎng)(RL)、根粗(RD，距蘆頭1 cm處)；分別取地上、地下部分置于105 ℃烘箱殺青20 min后80 ℃烘干至恒重后，測(cè)定地上干物質(zhì)積累量(ADMA)和地下干物質(zhì)積累量(UDMA)；使用Expression 1100XL掃描儀對(duì)蒙古黃芪根系進(jìn)行掃描后，用WinRHIZO根系分析軟件計(jì)算根表面積(RSA)和體積(RV)。

1.3.4 產(chǎn)量測(cè)定、藥材初加工及藥效成分測(cè)定小區(qū)預(yù)留1/2面積進(jìn)行蒙古黃芪根產(chǎn)量(Y)的測(cè)定。參照《黃芪(鮮制)無硫加工技術(shù)規(guī)范》(T/CAT-CM004-2018)[20]對(duì)蒙古黃芪進(jìn)行初加工，后粉碎過篩，然后參考2020版《中華人民共和國藥典》[3]進(jìn)行根系黃芪甲苷(AS)和根系毛蕊異黃酮葡萄糖苷(C7G)含量的測(cè)定，其中規(guī)定黃芪甲苷含量不得少于0.080%，毛蕊異黃酮葡萄糖苷含量不得少于0.020%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS進(jìn)行方差和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料對(duì)蒙古黃芪植株葉片抗逆性生理指標(biāo)的影響

表1顯示，與CK相比，F(xiàn)W處理下蒙古黃芪葉片各抗逆生理指標(biāo)均無顯著性變化；FF處理下蒙古黃芪葉片的過氧化氫酶活性和可溶性糖含量均顯著降低，丙二醛含量顯著提高，其余指標(biāo)僅稍有降低；而在FH、FZ和FY 3種處理下，蒙古黃芪葉片的過氧化物酶活性和可溶性蛋白含量均顯著提高，F(xiàn)Z處理又顯著高于FH和FY處理，同時(shí)其超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性以及脯氨酸含量、可溶性糖含量也不同程度地升高，而其丙二醛含量卻不同程度降低，且FZ處理的變化大多達(dá)到顯著水平。以上結(jié)果說明，海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有機(jī)肥有利于增強(qiáng)蒙古黃芪植株抗逆性，且以腐殖酸水溶肥處理效果為最佳，微生物菌劑生物肥對(duì)蒙古黃芪抗逆性的影響較小，但復(fù)合肥不利于蒙古黃芪抗逆性的提高，甚至加劇了膜脂的氧化損害程度。

表1 不同肥料處理下蒙古黃芪植株葉片抗逆性生理指標(biāo)的變化

2.2 不同肥料對(duì)蒙古黃芪植株葉片光合相關(guān)指標(biāo)的影響

由表2可知，與CK相比，F(xiàn)W處理蒙古黃芪葉片各光合相關(guān)指標(biāo)均無顯著性變化；FF處理下蒙古黃芪葉片的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均顯著降低，其余指標(biāo)大多不顯著地降低；而FH、FZ和FY 3種處理下蒙古黃芪葉片胞間CO2濃度顯著降低，而凈光合速率、蒸騰速率和葉片水分利用率均顯著提高，并以FH處理變化幅度較大，同時(shí)FH和FZ處理的氣孔導(dǎo)度和葉綠素?zé)晒鈪?shù)最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)也顯著提高。以上結(jié)果說明，蒙古黃芪光合作用和水分利用效率在海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有機(jī)肥處理下得到顯著提高，且以海藻酸水溶肥效果為最佳，而在微生物菌劑生物肥處理下受影響較小，但在復(fù)合肥處理下則受到抑制。

表2 不同肥料處理下蒙古黃芪葉片光合相關(guān)指標(biāo)的變化

2.3 不同肥料對(duì)蒙古黃芪植株形態(tài)指標(biāo)及干物質(zhì)積累量的影響

由表3可見，與不施肥對(duì)照(CK)相比，微生物菌劑生物肥(FW)處理對(duì)蒙古黃芪形態(tài)指標(biāo)及干物質(zhì)積累量均無顯著影響；復(fù)合肥(FF)處理蒙古黃芪的根粗顯著降低，地上干物質(zhì)積累量顯著提高，其余指標(biāo)均無顯著變化；海藻酸水溶肥(FH)、腐殖酸水溶肥(FZ)和有機(jī)肥(FY)處理的蒙古黃芪株高和地上干物質(zhì)積累量無顯著性變化，而莖粗、根粗、根表面積和地下干物質(zhì)積累量均顯著提高，并以FY處理增幅最大。以上結(jié)果說明，海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有機(jī)對(duì)蒙古黃芪地上部分的生長(zhǎng)影響較小，卻更有利于蒙古黃芪地下部分的生長(zhǎng)，且以有機(jī)肥效果最佳，復(fù)合肥更有利于蒙古黃芪地上部分的生長(zhǎng)，而微生物菌劑生物肥對(duì)蒙古黃芪形態(tài)指標(biāo)及干物質(zhì)積累量的影響均較小。

表3 不同肥料處理下蒙古黃芪植株形態(tài)指標(biāo)及干物質(zhì)積累量的變化

2.4 不同肥料處理對(duì)蒙古黃芪藥材產(chǎn)量和藥效成分的影響

從表4可以看出，與CK相比，F(xiàn)W處理對(duì)蒙古黃芪藥材產(chǎn)量和藥效成分(黃芪甲苷和毛蕊異黃酮葡萄糖苷)含量無顯著性影響，說明微生物菌劑生物肥對(duì)蒙古黃芪藥材產(chǎn)量和藥效成分的影響較??；FF處理下蒙古黃芪的毛蕊異黃酮葡萄糖苷含量顯著降低，藥材產(chǎn)量和黃芪甲苷含量無顯著性變化，但黃芪甲苷含量未到達(dá)《中華人民共和國藥典》[3]規(guī)定水平，說明復(fù)合肥對(duì)蒙古黃芪藥材產(chǎn)量的影響較小，但降低了藥效成分含量；而FH、FZ和FY 3種處理下蒙古黃芪的藥材產(chǎn)量和藥效成分含量均顯著提高，說明海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有機(jī)肥有利于蒙古黃芪藥材產(chǎn)量和藥效成分含量的提高。其中，蒙古黃芪藥材產(chǎn)量以施用有機(jī)肥處理最高(7 046.2 kg·hm-2)，且顯著高于除腐殖酸水溶肥處理以外的所有處理；蒙古黃芪藥效成分含量以施用腐殖酸水溶肥和有機(jī)肥處理最高，并均顯著高于其余處理，而這兩個(gè)處理之間無顯著性差異，且這兩個(gè)處理的黃芪甲苷含量(>0.130%)和毛蕊異黃酮葡萄糖苷含量(>0.060%)均遠(yuǎn)高于《中華人民共和國藥典》[3]規(guī)定的水平。

表4 不同肥料處理下蒙古黃芪根(藥材)產(chǎn)量和藥效成分的變化

3 討 論

首先，本研究表明在鹽堿地上施用微生物菌劑生物肥對(duì)蒙古黃芪抗逆性、光合作用、生長(zhǎng)特性及藥材產(chǎn)量質(zhì)量的影響均較小。這與張會(huì)會(huì)等[21]在黃芪上的研究有著不同之處。其原因可能是微生物菌劑生物肥中的活菌必須要保證施入土壤后是有活性的，才能發(fā)揮菌肥的作用，同時(shí)菌劑中的菌種只有經(jīng)過大量繁殖，在土壤中形成規(guī)模后才能有效體現(xiàn)出菌劑的功能，為了讓菌種盡快繁殖，就要給其提供合適的環(huán)境，如適宜的pH值、保持土壤中適量的水分、土壤中有機(jī)質(zhì)的含量等，而鹽堿地的土壤環(huán)境不適宜微生物菌種的生存和繁殖，導(dǎo)致微生物菌劑生物肥效果不明顯。

其次，本研究結(jié)果顯示在鹽堿地上施用復(fù)合肥對(duì)蒙古黃芪產(chǎn)量的影響較小，但降低了其植株抗逆性、光合作用和藥效成分。這與馬中森等[22]在蒙古黃芪上的研究有不同之處。其原因可能是復(fù)合肥施入鹽堿地土壤中，使鹽堿地土壤容重、緊實(shí)度等物理性質(zhì)發(fā)生了變化，導(dǎo)致土壤中通氣性、持水性變差，會(huì)引起土壤板結(jié)現(xiàn)象，使土壤酶活性下降，加重了鹽堿地土壤的鹽堿化程度，從而導(dǎo)致蒙古黃芪受到的逆境脅迫程度加劇，進(jìn)而引起了蒙古黃芪抗逆生理活性物質(zhì)含量下降、光合速率降低、根系生長(zhǎng)及干物質(zhì)積累減緩，最終使蒙古黃芪的根系產(chǎn)量沒有顯著性的提高，反而降低了其藥材品質(zhì)。

再次，本研究發(fā)現(xiàn)在鹽堿地上施用海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有機(jī)肥均明顯提高了蒙古黃芪的抗逆性、光合作用效率以及地下部分生長(zhǎng)和產(chǎn)量質(zhì)量。其中，海藻酸水溶肥施用效果與馮敬濤等[23]在蘋果上的研究有相似之處；腐殖酸水溶肥施用效果與郭巖等[5]在蒙古黃芪上的研究有相似之處；有機(jī)肥使用效果與趙亞蘭等[24]在蒙古黃芪上的研究結(jié)果有相似之處。蒙古黃芪處于鹽堿脅迫的逆境后，其根系產(chǎn)量往往較低，這點(diǎn)在其余作物上也已得到廣泛的證實(shí)；蒙古黃芪的藥效成分主要是一些次生代謝產(chǎn)物，前人[25]通過藥用植物次生代謝產(chǎn)物和環(huán)境脅迫之間的關(guān)系，總結(jié)了相關(guān)的理論依據(jù)，提出了生長(zhǎng)/分化平衡假說、碳素/營養(yǎng)平衡假說、資源獲得假說等并最終得出適度環(huán)境脅迫能增加植物次生代謝產(chǎn)物的結(jié)論，即“逆境出品質(zhì)”。對(duì)鹽堿地中的蒙古黃芪施用海藻酸水溶肥、腐殖酸水溶肥和有機(jī)肥后，這3種肥料通過對(duì)蒙古黃芪植株抗逆性、光合作用及生長(zhǎng)特性的改變，最終影響了蒙古黃芪藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量，但這并不是某一個(gè)指標(biāo)單獨(dú)影響的效果，而是許多指標(biāo)的交互作用所致。如葉面噴施腐殖酸水溶肥后，直接提高了葉片的光合作用效率，光合作用效率的提高使蒙古黃芪體內(nèi)初生代謝產(chǎn)物的含量提高，其中一些可溶性糖、可溶性蛋白等初生代謝產(chǎn)物又可以提高蒙古黃芪的抗逆能力，而次生代謝產(chǎn)物的合成往往以初生代謝產(chǎn)物為原料，從而又促進(jìn)了次生代謝產(chǎn)物的合成，最終提高了蒙古黃芪的藥效成分含量；再如有機(jī)肥疏松了土壤、增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，為蒙古黃芪根系的生長(zhǎng)發(fā)育提供了更好的環(huán)境，進(jìn)而提高了蒙古黃芪的藥材產(chǎn)量。

中藥材講究道地性，藥用植物的栽培不僅追求產(chǎn)量和好的外觀形態(tài)，更加注重藥效成分，但在藥材生產(chǎn)中高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)往往不能兼得，本研究也符合這一規(guī)律。而在目前的藥材生產(chǎn)實(shí)踐和銷售過程中，決定蒙古黃芪經(jīng)濟(jì)效益的往往是其產(chǎn)量和外觀形態(tài)，忽視了其藥效成分，而藥效成分的高低決定后續(xù)提取加工環(huán)節(jié)的成本和效益，在生產(chǎn)上具有重要意義，由“產(chǎn)量定價(jià)格”到由“品質(zhì)定價(jià)格”還需要一定的過渡時(shí)間。因此，蒙古黃芪在栽培過程中，尤其是在鹽堿地栽培管理過程中，施肥種類的選擇需要綜合考慮交互效應(yīng)，尋求最佳的平衡點(diǎn)，即要有較好的產(chǎn)量和外觀形態(tài)，又能保證其藥效成分。